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UNIVERSIDAD DEL AZUAY FACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Análisis Experimental de la Movilidad de un Terminal Utilizando el Protocolo LoRa” Trabajo de graduación previo a la obtención del título de: INGENIERO ELECTRÓNICO Autor: CHRISTIAN JORGE HEREDIA BARRIGA Director: Ing. DANIEL ITURRALDE PIEDRA. Ph. D. CUENCA, ECUADOR 2019

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UNIVERSIDAD DEL AZUAY

FACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

“Análisis Experimental de la Movilidad de un Terminal Utilizando el

Protocolo LoRa”

Trabajo de graduación previo a la obtención del título de:

INGENIERO ELECTRÓNICO

Autor:

CHRISTIAN JORGE HEREDIA BARRIGA

Director:

Ing. DANIEL ITURRALDE PIEDRA. Ph. D.

CUENCA, ECUADOR

2019

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Análisis Experimental de la Movilidad de un

Terminal Utilizando el Protocolo LoRa

Christian Jorge Heredia Barriga

Escuela de Ingeniería Electrónica, Universidad del Azuay

Cuenca, Ecuador. [email protected].

Resumen-. En este trabajo se presenta un análisis experimental de la movilidad de un terminal utilizando el protocolo LoRa. Se elaboró un modelo experimental de pruebas mediante un nodo móvil, una puerta de enlace, un servidor y una base de datos. Se realizaron pruebas, donde la información fue adquirida, transmitida, procesada, presentada y almacenada. El objetivo principal fue identificar la influencia que tienen, las condiciones de propagación, la velocidad, la distancia y el cambio de celda sobre la potencia recibida y la pérdida de paquetes. Los resultados obtenidos en este trabajo factibilizan el uso de LoRa en aplicaciones de movilidad urbana.

Palabras Clave- LoRa, movilidad, diseño experimental.

I. INTRODUCCIÓN

Actualmente, para la prestación de diferentes servicios

públicos y privados, se recurre al Internet de las cosas (IoT, por

sus siglas en ingles) como solución en el manejo y gestión de

la información. El mayor de los problemas que surge en el uso

de esta tecnología es la necesidad de contar con redes de gran

cobertura para servicios como transporte, geolocalización,

monitoreo ambiental, entre otros. De momento, solo existen las

redes de las compañías de servicios de telecomunicaciones que

ofrecen los servicios con altos costos, limitando su utilidad en

los citados casos.

Paralelamente, en el avance de las tecnologías de la

comunicación, el protocolo LoRa se ha presentado como el

más eficaz en IoT por su baja tasa de transmisión de datos, gran

cobertura y ahorro en el consumo de energía. Por lo tanto, la

creación de una red LoRa de gran cobertura llegaría a ser una

herramienta útil para la prestación de servicios que funcionan

dentro de las ciudades modernas.

Con el desarrollo de este trabajo se pretende fomentar el

crecimiento de las ciudades inteligentes, desarrollando la

tecnología IoT para el manejo de datos en la prestación más

eficiente de servicios públicos o privados. De la misma

manera se ampliarán las facilidades a los usuarios y se dará

apertura al crecimiento de nuevas aplicaciones de movilidad

dentro de las ciudades.

Se buscan sentar las bases para la creación de redes LoRa

(Long Range) exclusivas para IoT y ciudades inteligentes, con

costos accesibles para diferentes aplicaciones, y como

alternativa a las redes existentes de las operadoras de servicios

de telecomunicaciones tradicionales que ofrecen los servicios

de datos con costos elevados, ya que estan orientadas a la

trasmisión de información a altas velocidades. El trabajo

plantea enfocarse en estudios de movilidad utilizando el

protocolo LoRa, para de esta manera buscar una mejora en la

comunicación de servicios de trasporte y de movilidad urbana.

Este trabajo se encuentra estructurado de la siguiente

manera: La sección II contiene el estado del arte, la sección III

especifica el marco teórico con los conceptos mas relevantes

y necesarios, la sección IV abarca la descripción del sistema,

la sección V contiene el análisis de los resultados y la sección

VI las conclusiones obtenidas.

II. ESTADO DEL ARTE

A continuación, se presentan artículos relacionados al tema de

este trabajo.

• Medición de la movilidad del nodo para el protocolo

LoRa

Estudiantes de la Universidad Politécnica de Bucarest

desarrollaron la investigación: “Medición de la movilidad del

nodo para el protocolo LoRa”. Para lo cual se utilizó un nodo

fijo y un nodo móvil, ubicándolos en diferentes zonas de la

ciudad de Bucarest, con lo cual se probó la comunicación

mientras el nodo móvil circulaba por áreas delimitadas

previamente.

Se realizaron las pruebas utilizando el módulo SX1272

conectado a un microcontrolador mediante el protocolo SPI.

Se probo inicialmente con una arquitectura basada en Arduino,

pero no fue muy útil por su SRAM de 2kB, posteriormente se

utilizó una tarjeta STMicroelectronics con un controlador

Cortex-M4 ARM el cual fue mucho más poderoso para

implementar la capa LORAWAN.

Se midió la máxima distancia que podía alcanzar la

comunicación en la ciudad de Bucarest y en el Parque Natural

Comana. En la ciudad de Bucarest se colocó el nodo fijo en el

onceavo piso de un edificio, y en el Parque Natural Comana,

este fue situado a 6m de altura. El nodo móvil fue trasladado

alrededor de los nodos fijos durante las pruebas.

En la figura 1 se observa una representación de la distancia y

el RSSI (nivel de potencia [dBm]) en función del número de

muestras.

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Fig. 1. Gráfico de distancia y RSSI en el Parque Natural Comana.

Con este estudio se lograron alcanzar distancias

importantes, se llegó a 4,3 Km en áreas urbanas y 9,7 Km en

campo abierto a las afueras de la ciudad. [1]

• Un estudio de LoRa: redes de largo alcance y baja

potencia para Internet de las cosas.

En el artículo se presenta una visión general de LoRa, un

análisis profundo de sus componentes y el rendimiento de la

capa física y de enlace de datos.

En la capa física se analiza lo siguiente:

- Descripción general

- Parámetros

- Formato de marco físico

- Evaluación de rendimiento

- Sensibilidad del receptor

- Cobertura de red

Para LoRaWAN se realiza el análisis de:

- Componentes de la red

- Formato de mensaje

- Configuración del dispositivo final

- Comandos MAC

- Rendimiento máximo y MTU de un solo

dispositivo

- Capacidad total y carga de canal

- Estimación del rango de colisión

- Rol del servidor web

- Rol del Gateway

Se construyó un sistema de pruebas, con el fin de evaluar

la sensibilidad de los receptores de LoRa. Para estas pruebas

se utilizó la tarjeta de desarrollo The Freescale KRDM-KL25Z

con Semtech SX1276 MBED shield como dispositivo final,

como puerta de enlace se utilizó el router industrial Cisco 910,

esta puerta de enlace se conectó al servidor provisto por

Thingpark a través de Ethernet donde se envió toda la

información.

Alrededor de 10000 paquetes fueron enviados desde los

dispositivos finales hacia la puerta de enlace, el RSSI (fuerza

de la señal recibida) de cada paquete fue capturado mientras

los dispositivos finales se mantenían en movimiento. Se

colocó la puerta de enlace dentro de una edificación, y los

dispositivos finales fuera, en un ambiente urbano. Todos los

paquetes fueron enviados con un ancho de banda de 125 kHz,

con una tasa de código de 4/5 y con una potencia de

transmisión mínima con lo cual se limitó la distancia a cubrir;

como resultado se obtuvo que los paquetes empezaron a

perderse a los 100 m. En la figura 2 se muestra un gráfico de

RSSI vs factor de propagación.

Fig. 2. RSSI en función del factor de propagación.

Para analizar la cobertura de la red se experimentó en un

suburbio de París, esta vez se colocó la puerta de enlace en el

segundo piso de una casa, cinco diferentes puntos a diferentes

distancias fueron elegidos para el dispositivo final, el cual fue

transportado en un vehículo. El objetivo de este experimento

fue analizar la cobertura de red con diferentes factores de

propagación, esto se debió a que en el mundo real los

dispositivos finales incrementan el factor de propagación

automáticamente si la transmisión falla. En la figura 3 se

muestran los resultados.

Fig. 3. Factor de propagación incrementando la distancia.

En el análisis de LoRaWAN, el objetivo fue evaluar el

rendimiento máximo que se pudo obtener en un solo

dispositivo final. Esto se logró haciendo que el dispositivo

final envié datos tanto como las limitaciones del canal y del

protocolo lo permitan. Se realizaron pruebas con 6 canales de

125 kHz, utilizando factores de dispersión de 7 a 12. Los

resultados se observan en la figura 4. [2]

Fig. 4. Rendimiento promedio.

• Diseño e implementación de un sistema de rastreo de

objetos basado en LoRa

En la Universidad Nacional de Pusan se escribió el artículo

“Diseño e implementación de un sistema de rastreo de objetos

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basado en LoRa”, en el cual se implementó y se analizó el

rendimiento de un sistema de rastreo basado en LoRa a través

de la experimentación de campo.

El sistema estuvo estructurado con un dispositivo final,

una puerta de enlace, una base de datos, una web de usuario y

una aplicación. El dispositivo final estaba compuesto por: un

sensor interno de aceleración, un sensor GPS y un módulo

LoRa SX1272. Como puerta de enlace, se utilizó Meshlium

basado en Linux OS, con un módulo LoRa SX1272 y que

además ofrece Bluemix MQTT API como servidor. Para la

base de datos se utilizó Mongo DB.

Para el proceso de transmisión se adquirió los datos

mediante los dispositivos finales, los cuales enviaron la

información a la puerta de enlace utilizando comunicación

LoRa. La información fué almacenada en la base de datos y

esta fue transferida a Bluemix MQTT API. [3]

• Sobre la viabilidad de las aplicaciones móviles de

detección y seguimiento basadas en LPWAN

En este artículo, personal de la Universidad de Brescia

evaluó el rendimiento de una aplicación LoRaWAN sobre una

gran área del mundo real, considerando la movilidad en los

nodos.

Se realizó una investigación de redes LPWAN, empezando

por un acercamiento a la utilidad de estas en IoT; se elaboró

un estado del arte de estudios similares y a base de

investigaciones, se redactó un resumen de LoRaWAN, donde

se presenta la pila de protocolos y la arquitectura de la red.

Se efectuaron experimentos para poder evaluar el retraso

que existe entre un evento que sucede en el campo y la

recepción de los datos mediante la aplicación. Todos los datos

debieron atravesar el sistema completo de LoRaWAN, el cual

está conformado por LoRa Gateway, Network Server y

Application Server.

El núcleo del sistema estaba formado por un IoT 2040 de

Siemens, que posee un sistema operativo Yocto de Linux. el

cual se encontraba conectado con un kit de desarrollo

Microchip LoRaWAN.

En conclusión, gracias a todas las pruebas realizadas, se

obtuvo que el retraso existente entre la comunicación LoRa es

siempre el mismo ya sea con nodos fijos o móviles mientras

las variaciones encontradas se deben a la conexión a internet.

El retraso promedio es de 300 ms. [4]

• Desafíos y mejoras en la comunicación con vehículos y

dispositivos que se mueven con alta velocidad.

En este documento elaborado por personal de la

Universidad de Ciencias Aplicadas en Frankfurt-Alemania se

identifican algunas deficiencias en la comunicación GSM-R

para ferrocarriles con usuarios que se encuentran a altas

velocidades. Se presentan los diferentes desafíos como: el

efecto Doppler, la corta duración en la permanencia de una

celda, y el retraso de programación. Para esto se ha diseñado

una topología de red especial y un modelo de movilidad.

Mediante simulaciones en Matlab y NS2 se demuestra que las

soluciones propuestas mejoran la calidad.

Se comprobó que en aplicaciones de alta velocidad un solo

medio no puede proporcionar resultados satisfactorios, es

necesario un enfoque integrado de la planificación de la red y

un manejo de la estructura de movilidad. [5]

• Estudio de rendimiento del tráfico de Internet en

ferrocarriles de alta velocidad.

En este estudio se realizó un esquema metodológico para

la recopilación de información de tráfico, que tiene relación

con el comportamiento de los servicios de internet en redes

comerciales. Se efectuó el estudio en los trenes de alta

velocidad de España, obteniendo como conclusión un método

útil para ofrecer información a los operadores ferroviarios,

operadores de telecomunicaciones y desarrolladores de

software.

Como introducción se plantearon las limitaciones del

protocolo de comunicación GSM-R, orientado

específicamente para ferrocarriles, y se planteó la necesidad

de una transición hacia redes públicas con nuevas tecnologías.

De la misma forma se proponen los desafíos que enfrentan

estas tecnologías, tales como canales de radio que varían con

rapidez en el tiempo, manipuladores frecuentes, efecto doppler

y recepción por múltiples rutas. Demostrando la necesidad de

una evaluación del rendimiento en la comunicación a bordo de

los ferrocarriles de alta velocidad.

Se tomaron en cuenta los efectos de la catenaria en la

propagación, concluyendo que mientras que en el espacio libre

el coeficiente de propagación es 2, en un entorno móvil en

general este coeficiente es 4, y en cambio en los ferrocarriles

es de 3,5 lo cual se acerca más al coeficiente de propagación

en el espacio libre cuando no se toman en cuenta los efectos

de la catenaria.

Se utilizó la herramienta TestelDroid, desarrollada en la

universidad de Málaga para capturar el tráfico IP e

información adicional en teléfonos Android. Esta evaluación

se realizó en una línea ferroviaria de 155 km que se extiende

entre las ciudades de Málaga y Córdova. Se utilizó una fuente

de tráfico UDP, específicamente VoIP.

Durante la prueba se estimaron diferentes fuentes de

información, entre las cuales están: el identificador de celda,

el código de área de ubicación (LAC), el indicador de fuerza

de la señal recibida (RSSI), el código de aleatorización

primaria (PSC), la latitud, la longitud y la velocidad.

En la figura 5 se muestra una representación basada en el

tiempo de una de las sesiones VOIP.

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Fig. 5. Representación basada en el tiempo.

Se representaron los datos geográficamente mediante

“Google Earth”, con esto se obtuvo la influencia geográfica en

la comunicación.

Este trabajo ha presentado un buen método para la

medición de calidad del tráfico de internet en dispositivos

móviles, comerciales, dentro de trenes de alta velocidad. Se ha

permitido conocer áreas de baja calidad de servicios en el

trayecto del ferrocarril, y se ha caracterizado el internet en

estas líneas, con el fin de buscar mecanismos que ayuden en

la mejora del servicio. [6]

III. MARCO TEÓRICO

A. Internet de las cosas (IoT)

Es un concepto en el cual se puede conectar cualquier

dispositivo a internet para ser operado. Comprende una red de

largo alcance de “cosas” que puedan estar conectadas entre sí

y con personas. IoT se puede aplicar en las ciudades

inteligentes, en redes de transporte, en el uso eficiente de la

energía y más, con lo cual se pretende mejorar la forma de vida

y trabajo diario. [7]

Una diferencia entre el “internet” y el “internet de las

cosas” es que en el segundo los dispositivos de red tienen

menos memoria, menos capacidad de procesamiento, menos

ancho de banda, entre otros. Con lo que respecta a la energía,

también se encuentra limitada por el uso de baterías en los

dispositivos. [2]

B. Ciudades inteligentes

Se habla de “Smart cities” como ciudades en las cuales se

pueda alcanzar una gestión eficiente en todas las áreas, tales

como una gestión racional del espacio urbano, una gestión de

recursos naturales, empleo de fuentes alternativas de energía,

reducción de CO2, entre otros. Esto se da a través del uso de

redes de comunicaciones, sensores y sistemas inteligentes. [8]

C. Low Power Wide Area Network (LPWAN)

Es una red que ofrece cobertura en un área muy grande, a

través de estaciones base y mediante adaptación de las

velocidades de transmisión, modulación, ciclos de trabajo,

entre otros. Los dispositivos finales consumen muy poca

energía al estar conectados. [2]

D. LoRa (Long Range)

Es un protocolo LPWAN que tiene como objetivo

principal las aplicaciones en las cuales los dispositivos finales

poseen energía limitada, no necesitan trasmitir más de unos

pocos bytes y el tráfico de datos puede ser iniciado por el

dispositivo final.

• La pila de protocolos

Se puede referir a LoRa como dos capas distintas: La

capa física que utiliza modulación con la técnica

Chrip Spread Spectrum (CSS) y la capa MAC con el

protocolo LoRaWAN. La capa física de LoRa

permite comunicaciones de largo alcance, baja

potencia y bajo rendimiento, funciona en las bandas

ISM de 433 MHz (Asia), 868 MHz (Europa) o 915

MHz (América), la velocidad de datos puede

alcanzar 50 Kbps. LoRaWAN permite a varios

dispositivos finales conectarse a una puerta de

enlace.

• Arquitectura de red

Una red LoRa tiene topología en estrella, en la cual

se encuentran tres tipos de dispositivos. Los

dispositivos finales se comunican con las puertas de

enlace, estas puertas de enlace reenvían las tramas a

un servidor a través de ethernet, WiFi o 3G. En la

figura 6 se muestran los diferentes dispositivos. [2]

Fig. 6. Arquitectura de la red LoRa.

• Rango de LoRa

El rango promedio de distancia es de más de 10 km,

los valores oscilan entre los 15 y 20 km, pero estos

valores no necesariamente definen el rango de una

comunicación LoRa. Influyen también, el

posicionamiento de la red, la puerta de enlace, los

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dispositivos finales, la ganancia de la antena, la línea

de vista, la potencia de trasmisión, entre otros. [9]

E. Protocolo LoRaWAN

Es un protocolo MAC creado con el objetivo de usar la

capa física de LoRa, el cual está diseñado específicamente

para redes de sensores que intercambian datos con el servidor.

[2]

• Clases de nodos de una red LoRaWAN

En LoRa se pueden distinguir tres clases de nodos:

Clase A: Esta clase de nodo permite comunicación

bidireccional en los dispositivos finales, eso significa

que la trasmisión ascendente se encuentra seguida de

una trasmisión descendente. Esta clase se utiliza para

aplicaciones que requieren únicamente

comunicación descendente desde el servidor

inmediatamente de que el dispositivo final se haya

comunicado ascendentemente, permitiendo así

mayor ahorro de energía.

Clase B: Esta clase de nodo permite la comunicación

bidireccional de los dispositivos finales que poseen

recepciones programadas. Por lo cual, además de

recibir datos inmediatamente de que existe

comunicación ascendente al igual que los nodos de

clase A, permiten la recepción en horarios

programados.

Clase C: Esta clase de nodo consiste en dispositivos

finales bidireccionales que se encuentran recibiendo

datos constantemente, los cuales solo dejan de recibir

cuando se encuentran trasmitiendo. [10]

F. Tasa de datos de una red LoRaWAN

Todos los dispositivos finales y puertas de enlace incluyen

una configuración de “tasa de datos”, esta ofrece una

compensación entre el rango de comunicación y la duración

del mensaje. Ya que LoRa tiene una tecnología de espectro

expandido, las tasas de datos no interfieren entre si y crean

canales de código virtual, aumentando de esa manera la

capacidad de la puerta de enlace. [10]

G. Sistemas de transporte inteligente

Son sistemas que permiten comunicar las unidades de

transporte entre sí, o con la infraestructura a lo largo de sus

trayectos, esto con el objetivo de mejorar la calidad y la

seguridad de los servicios de transporte. Estos sistemas se

dividen en los que se desarrollan independientemente, o los

que dependen de otros sistemas. Además, se dividen en

sistemas de comunicación vehículo a vehículo y sistemas de

comunicación infraestructura a vehículo o viceversa. [11]

IV. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

Se pretende diseñar una comunicación LoRa, entre un

nodo móvil y una puerta de enlace que se encuentre fija, se

creará un software para cada nodo que permita recibir,

procesar y transmitir la información acerca de los distintos

parámetros del estudio. Se espera crear un servidor a base de

software que recopile los datos obtenidos por la puerta de

enlace, que procese esta información, la presente y la

almacene para su posterior análisis. Se realizarán pruebas con

las cuales se obtendrá información necesaria para una

investigación analítica. Con esta investigación se procura

establecer conclusiones acerca de la movilidad de LoRa. En la

figura 7 se muestra la estructura del modelo experimental.

Fig. 7. Estructura del modelo experimental.

El modelo experimental está estructurado con tres tipos de

pruebas: pruebas de distancia, pruebas de velocidad y pruebas

de cambio de celda. En cada prueba se efectuaron variaciones

en diferentes parámetros tales como; distancia entre nodos,

velocidad del nodo móvil, línea de vista, altura del nodo fijo,

celda, entre otros. Las variaciones en los diferentes parámetros

dependieron de los distintos tipos de pruebas, por ejemplo, en

las pruebas de velocidad se trató de conseguir mayor

modificación en la velocidad y menor en los demás valores.

Para conseguir conclusiones acerca de la movilidad de LoRa

se examinó la influencia que estos parámetros tuvieron sobre

la potencia recibida y sobre la pérdida de paquetes.

Para la creación de la red se utilizó las puertas de enlace de

marca y modelo “Dragino LG01” y para el dispositivo final el

módulo “Dragino RFM95W” conectado al “Arduino UNO”.

Además, se conectó un GPS al dispositivo final para obtener

la información geográfica necesaria. Para estos dispositivos de

la red se desarrollaron dos programas que permitieron la

adquisición, el procesamiento y el envió de la información

necesaria.

A través del módulo GPS se entregaron datos al

controlador de Arduino mediante comunicación serial, el

controlador a su vez procesó los datos e incluyó más

información, formando una trama, la cual envió mediante la

comunicación LoRa a la puerta de enlace. La puerta de enlace

a través de su controlador interno, procesó los datos e

incrementó la trama con información de los datos recibidos.

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Toda la trama se envió al servidor mediante comunicación

UDP, donde fue procesada y presentada, se almacenaron todos

los valores en una base de datos obteniendo finalmente los

resultados. En la figura 8 se aprecia el modelo de conexiones.

Fig. 8. Modelo de conexiones.

Se obtienen los valores de latitud, longitud y velocidad, a

estos se le incluye el conteo de paquetes enviados, se los

adjunta a todos en una trama la cual es enviada, al ser recibida

la trama a través de la puerta de enlace se le incluye el valor

de la potencia recibida y el conteo de paquetes recibidos. Toda

la información que recibe el servidor es nuevamente

procesada, cada valor es presentado por separado

almacenándose finalmente en la base de datos los valores de

latitud, longitud, velocidad, RSSI, pérdida de paquetes y

distancia.

El servidor se desarrolló a través de la aplicación LabView,

una aplicación muy útil en todo tipo de análisis de datos. Para

la adquisición de la información se implementó una

comunicación UDP entre la puerta de enlace y el servidor, esto

se logró enviando las tramas a la dirección IP del computador

y a un puerto aleatorio que no se encuentre en uso. Con este

servidor se pudo procesar la trama, obteniendo visualización

de los diferentes valores con el tiempo como se muestra en la

figura 9.

Fig. 9. Valores de interés en el servidor.

Además de poder observar los valores en el tiempo, se

pudo obtener la ubicación del dispositivo final visualizada en

un mapa, para ello se utilizó la plataforma libre “Open Street

Maps” y gracias a las coordenadas obtenidas se consiguió esta

ubicación a lo largo del trayecto de cada prueba. En la figura

10 se observa el mapa y además la opción que tiene el servidor

de ingresar las coordenadas de la puerta de enlace para así

obtener la distancia entre los dos puntos.

Fig. 10. Mapa.

Para la creación de la base de datos se utilizó la aplicación

MySQL Workbench, la conexión de esta base de datos con el

servidor de LabView se logró gracias a el estándar de acceso

ODBC y se utilizó el servidor XAMPP para permitir la

conexión a las tablas. Se elaboró cada una de las tablas de

acuerdo con las diferentes pruebas y la información relevante

en cada una. Al final todos los datos fueron registrados para

su posterior análisis.

V. RESULTADOS

Para los diferentes estudios se ubicó a la puerta de enlace

en diferentes locaciones urbanas mientras se variaba la

posición del dispositivo final. Se buscó ubicaciones en

diferentes entornos para poder observar la influencia del

entorno en la comunicación. El dispositivo final se vio

afectado por diferentes distancias entre nodos, velocidades y

cambios de celda, valores que se registraron junto con

información de la pérdida de paquetes y de la potencia recibida

en una base de datos para su posterior análisis.

Con los resultados se pretendió analizar la influencia que

tiene la distancia, la velocidad y el cambio de celda sobre la

pérdida de paquetes y la potencia recibida.

A. Pruebas de distancia

El objetivo principal de estas pruebas fue, poder identificar

la influencia que tiene la distancia entre el nodo final y la

puerta de enlace sobre una comunicación LoRa, por eso, en

cada uno de los análisis se enfatizó en variar principalmente la

distancia existente entre los dos nodos. Se empezó siempre

con la distancia mas corta posible y se fue incrementando

hasta perder la comunicación en su totalidad. Otro factor que

se consideró en estos análisis fue la altura de la puerta de

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enlace, la cual fue diferente en cada estudio y permitió

identificar la influencia que tuvo la línea de vista en la

comunicación.

Como primera prueba se posicionó a la puerta de enlace en

un tercer piso con vistas al exterior dentro de un área

residencial, se llevo al dispositivo final a una distancia

máxima donde ya no se recibió ningún paquete. Cabe añadir

que el entorno en el que se encontraban los dos dispositivos

estaba mayormente conformado por viviendas de dos a tres

pisos de alto.

En esta prueba la comunicación se perdió alrededor de los

105 m, después de esa distancia no se recibió ningún paquete,

en la figura 11 se puede observar todo el trayecto de la

comunicación, los iconos purpuras son los paquetes recibidos

junto con la distancia a la que se enviaron del nodo principal.

Poco después de haber girado la intersección y haber perdido

línea de vista finalizó la comunicación.

Fig. 11. Trayecto de la prueba 1.

En la figura 12 se encuentran gráficas de distancia, pérdida

de paquetes y RSSI en función de todas las muestras

obtenidas. Se comprueba que mientras aumenta la distancia

existen mas paquetes que no llegan y menos potencia recibida.

El RSSI descendió hasta – 96 dBm y la pérdida de paquetes

alcanzo un máximo de 0,2%.

Fig. 12. Gráficas de resultados de la prueba 1.

La segunda prueba se realizó en un área central urbana, se

posicionó la puerta de enlace en un tercer piso con un entorno

similar al del primer análisis. En la figura 13 se observa el

trayecto junto con los paquetes recibidos a cada distancia y la

puerta de enlace.

Fig. 13. Trayecto de la prueba 2.

La comunicación alcanzó los 133 m, a poco menos de esta

distancia la línea de vista fue perdiéndose hasta ser nula. En la

figura 14 se presentan los resultados de este análisis. Se

comprueba otra vez que a mayor distancia la pérdida de

paquetes aumenta y la potencia recibida disminuye. En estos

resultados se consiguió un RSSI mínimo de -84 dBm y una

pérdida en los paquetes máxima del 1,5%.

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Fig. 14. Gráficas de resultados de la prueba 2.

En la tercera prueba se ubicó a la puerta de enlace en un

mirador con una altura superior a gran parte de las

edificaciones cercanas, por lo tanto, existía mayor visibilidad

hacia el trayecto, en comparación con las pruebas que se

realizaron anteriormente, en la figura 15 se puede observar

todo el trayecto con algunos de los paquetes enviados y

etiquetados por su distancia de la puerta de enlace.

Fig. 15. Trayecto de la prueba 3.

El último paquete recibido llego a los 890 m, a partir de

esa distancia se perdió todo paquete. Esta vez con más altura

y visibilidad, el alcance en distancia fue mayor. En la figura

16 se presentan los resultados del análisis, comprobando esta

vez que se puede obtener mayor radio de comunicación

mejorando las condiciones del entorno. La potencia recibida

obtuvo como valor mínimo -85 dBm y la pérdida de paquetes

máxima fue del 7,2%.

Fig. 16. Gráficas de resultados de la prueba 3.

En la cuarta prueba, la puerta de enlace se colocó en el

duodécimo piso de un edificio, al igual que en la prueba

anterior, el trayecto se encontraba con mayor línea de vista

gracias a la altura del nodo principal. La distancia máxima que

alcanzó la comunicación fue alrededor de 810 m como se

observa en la figura 17.

Fig. 17. Trayecto de la prueba 4.

Se comprueba nuevamente que al mejorar las

condiciones del entorno, mejora la distancia alcanzada por la

comunicación. En la figura 18 los resultados muestran además

influencia de los obstáculos en los paquetes perdidos y en el

RSSI, algo que también se constató en la prueba anterior con

la figura 16. La potencia mínima alcanzada fue de -82 dBm y

la pérdida de paquetes llego a un máximo de 8,9%.

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Fig. 18. Gráficas de resultados de la prueba 4.

La quinta prueba se realizó ubicando la puerta de enlace en

un cerro de gran altitud (mayor a 100 m), el cual posee vista

de la mayor parte de la ciudad, por lo cual se consideró un

lugar estratégico para los análisis. Se trasladó el dispositivo

final hasta el limite donde los paquetes dejaron de recibirse.

En la figura 19 se observa todo el recorrido del dispositivo

final con la distancia de los paquetes recibidos.

Fig. 19. Trayecto de la prueba 5.

En la figura 19 se observa que en gran parte del trayecto

no se consiguieron paquetes, se verificó que a mayor distancia

la comunicación es más susceptible a los obstáculos del

entorno, además se constató que, mejorando las condiciones

de línea de vista y altura, el alcance en distancia puede llegar

a ser mejor en 25 veces más que en otras condiciones.

Fig. 20. Gráficas de resultados de la prueba 5.

En la figura 20 se presentan los resultados del análisis, el

RSSI mínimo alcanzado fue de – 85 dBm y la pérdida de

paquetes máxima fue de un 19,7%.

B. Pruebas de velocidad

Para estas pruebas se ubicó la puerta de enlace en una

autopista sobre un paso peatonal, de esta manera se pudieron

alcanzar altas velocidades. El nodo móvil se trasladó alrededor

del nodo fijo en tramos de ida y vuelta, en algunos casos se

empezó desde 0 km/h hasta la velocidad máxima soportada, y

en los otros casos se intentó mantener una velocidad constante.

En la primera prueba se mantuvo la velocidad a un

promedio de 60 Km/h, ya que esta velocidad es una velocidad

promedio de tránsito en las vías urbanas. En la figura 21 se

presenta el trayecto del dispositivo final junto con los paquetes

enviados y etiquetados con la velocidad.

Fig. 21. Trayecto de la prueba 1.

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En la figura 22 se presentan los resultados del análisis, no

se observa una dependencia directa del RSSI con la velocidad

al igual que con la pérdida de paquetes, se podría suponer que

los picos existentes en la gráfica se deben a la distancia u

obstáculos en el trayecto. La velocidad máxima alcanzada fue

de 61 Km/h, la potencia llego hasta un valor mínimo de -85

dBm y la pérdida de paquetes alcanzo un máximo de 29,1%.

Fig. 22. Gráficas de resultados de la prueba 1.

En la segunda prueba, la velocidad inicio con valores bajos

y estos fueron incrementando hasta llegar a 160 Km/h. En la

figura 23 se presenta la trayectoria de la comunicación con

etiquetas de la velocidad.

Fig. 23. Trayecto de la prueba 2.

En los resultados que se presentan en la figura 24 se

comprueba que no existe influencia de la velocidad en la

pérdida de paquetes antes de alcanzar los 149 Km/h, sobre esa

velocidad se perdió toda comunicación entre los nodos. Los

picos en la pérdida de paquetes coinciden con las zonas más

alejadas del recorrido, mientras que los picos en el RSSI

coinciden con la distancia mas cercana entre los nodos. La

pérdida máxima de paquetes llego al 12,9% mientras que el

RSSI mínimo fue de -85 dBm.

Fig. 24. Gráficas de resultados de la prueba 2.

La tercera prueba se realizó de manera similar a la anterior,

la velocidad fue incrementando hasta el valor máximo

mientras se fueron registrando los valores. El máximo valor de

velocidad que se registro fue de 144 km/h. En la figura 25 se

presenta el trayecto de la comunicación con etiquetas de la

velocidad.

Fig. 25. Trayecto de la prueba 3.

En la figura 26 se presentan los resultados del análisis, a

primera vista se observa que cuando la velocidad baja existe

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un porcentaje más alto de pérdida en los paquetes, pero eso no

tiene mucho sentido ya que las altas velocidades llegan a

producir errores en la comunicación y con menor velocidad

deberían existir menores pérdidas. Observando bien el

trayecto se identifica que los datos enviados a velocidades mas

pequeñas fueron enviados en los extremos de todo el recorrido

donde la distancia y la presencia de obstáculos incrementó

considerablemente, así que se podría decir que a esto se debe

el incremento en la pérdida de paquetes. Igualmente se

comprueba que los picos en el RSSI coinciden con una alta

velocidad en dispositivo final, pero observando nuevamente el

trayecto se comprueba que las altas velocidades coinciden con

el punto mas cercano a la puerta de enlace y que la distancia

influye más significativamente con esta variable. El RSSI

llego hasta -85 dBm, y la pérdida de paquetes alcanzó un 4,1%.

Fig. 26. Gráficas de resultados de la prueba 3.

En la cuarta prueba al igual que las anteriores, la velocidad

fue aumentando poco a poco hasta llegar a un valor máximo

de 124 Km/h antes de perder toda comunicación. El trayecto

con cada paquete enviado y etiquetado por velocidad se

presenta en la figura 27.

Fig. 27. Trayecto de la prueba 4.

Se comprueba nuevamente que la velocidad tiene poca

influencia en la pérdida de paquetes y en la potencia recibida.

En la figura 28 se muestran los resultados del análisis. Los

resultados obtenidos son similares a los de las dos pruebas

anteriores en los cuales se comprueba la poca influencia de la

velocidad en la pérdida de paquetes y en el RSSI.

Fig. 28. Gráficas de resultados de la prueba 4.

La quinta prueba se realizó tratando de mantener una

velocidad de 90 km/h en casi todo el recorrido, esta es una

velocidad promedio en las carreteras y autopistas que rodean

las ciudades. En la figura 29 se presenta la trayectoria

etiquetada por la velocidad.

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Fig. 29. Trayecto de la prueba 5.

Los resultados se muestran en la figura 30. De igual

manera que los resultados en las pruebas anteriores se

comprueba que la pérdida de paquetes incrementó en el tramo

mas alejado donde confidencialmente la velocidad disminuye,

pero en donde la velocidad se mantenía alrededor de los 90

Km/h la pérdida fue la mínima, así mismo el RSSI se mantiene

en valores bajos casi en toda la comunicación exceptuando los

puntos de mayor cercanía a la puerta de enlace.

Fig. 30. Gráficas de resultados de la prueba 5.

C. Pruebas de cambio de celda

En estas pruebas se utilizaron dos puertas de enlace, a cada

una se la localizó en diferente ubicación con respecto a la otra

y manteniendo una distancia significativa entre las dos. Se

atravesó con el dispositivo final las dos celdas y se registraron

los resultados.

En la primera prueba se recorrió de un nodo a otro por la

distancia mas corta entre estos. En la figura 31 se observa la

trayectoria etiquetada por el número de cada puerta de enlace

y cada paquete diferenciado con distinto color para cada celda.

Fig. 31. Trayecto de la prueba 1.

Como se comprueba en la figura 32 los paquetes casi no se

perdieron en el transcurso del recorrido, esto se debe a que los

dos nodos fijos se encontraban recibiendo en cada momento,

por lo tanto, existía redundancia en toda la comunicación. Es

decir, cuando la distancia a cada nodo aumentaba y por ende

la pérdida de paquetes también, la distancia disminuía en el

otro nodo y de igual manera disminuía la pérdida de paquetes

en este.

Fig. 32. Gráfica de la pérdida de paquetes de la prueba 1.

Los resultados con respecto a la potencia recibida

dependen de cada puerta de enlace, mientras los paquetes

fueron enviados a mayor distancia de cada celda esta potencia

disminuye, mientras que si fueron enviados con menor

distancia la potencia recibida es mayor. En la figura 33 y 34 se

ven los resultados de RSSI con respecto a cada celda

respectivamente.

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Fig. 33. Gráfica del RSSI en la primera celda de la prueba 1.

Fig. 34. Gráfica del RSSI en la segunda celda de la prueba 1.

En la segunda prueba se consiguió mayor distancia en el

trayecto, rodeando las celdas por uno de los extremos. El

recorrido se muestra en la figura 35 con etiquetas y diferente

color para cada nodo.

Fig. 35. Trayecto de la prueba 2

Al igual que la prueba anterior la pérdida de paquetes no

incrementó de manera significativa en ninguna parte del

trayecto, esto debido a la redundancia presente gracias a los

dos nodos como se explicó anteriormente. En la figura 36 se

presenta la gráfica de la pérdida de paquetes.

Fig. 36. Gráfica de la pérdida de paquetes de la prueba 2.

De igual manera la potencia recibida tiene mayor

influencia de la distancia entre los dos nodos fijos y móvil, así

que va a depender de cual celda recibió el paquete. En la figura

37 y 38 se presentan los resultados de la potencia recibida.

Fig. 37. Gráfica del RSSI en la primera celda de la prueba 2.

Fig. 38. Gráfica del RSSI en la segunda celda de la prueba 2.

En la tercera prueba se siguió un recorrido diferente a las

pruebas anteriores, rodeando las celdas por uno de los

extremos. En la figura 39 se presenta el recorrido etiquetado

por el nodo uno y dos.

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Fig. 39. Trayecto de la prueba 2

La pérdida de paquetes no aumenta significativamente

como sucedió en los análisis anteriores. En la figura 40 se

presenta la pérdida de paquetes en función de las muestras

recogidas.

Fig. 40. Gráfica de la pérdida de paquetes de la prueba 3.

Los resultados de potencia recibida no cambian con este

análisis, a mayor distancia del nodo que recibe el paquete,

menores son los valores del RSSI. En las figuras 41 y 42 se

muestran los resultados.

Fig. 41. Gráfica del RSSI en la primera celda de la prueba 3.

Fig. 42. Gráfica del RSSI en la segunda celda de la prueba 3.

VI. CONCLUSIONES

Después de haber realizado varias pruebas se comprobó que

la comunicación LoRa ofrece una gran utilidad en aplicaciones

de movilidad urbana.

Entre las pruebas realizadas, se verificó que la línea de

visión es un factor con gran influencia en la distancia alcanzada

entre el nodo fijo y el nodo móvil sin que se pierda la

comunicación. Por ende, la altura del nodo fijo llega a ser un

factor fundamental en el tamaño de la celda. El alcance

máximo fue de 2,56 km, lo cual representa un valor alrededor

de veinticinco veces mayor al valor del alcance mínimo

conseguido en las pruebas anteriores, y esto se consiguió

elevando la altura de la puerta de enlace a más de cien metros

del dispositivo final. Con todo ello se puede afirmar que se

pueden obtener celdas de gran distancia utilizando el protocolo

LoRa.

La influencia que tuvo la velocidad sobre la comunicación

fue significativa después de los 149 km/h donde se dejó de

recibir cualquier tipo de información, con velocidades menores

se podría decir que la influencia de la velocidad sobre la

comunicación fue casi inexistente o inexistente. Las

variaciones mas significativas en la pérdida de paquetes y el

RSSI se debieron a la distancia entre los nodos y los obstáculos

en él recorrido. De esta manera se entiende que para las

velocidades máximas y mínimas con las cuales los vehículos y

peatones se movilizan en el área urbana existe un gran

rendimiento en la comunicación.

Al cambiar de una celda a otra, existió un refuerzo en la

comunicación gracias a la redundancia presente por las dos

puertas de enlace. Esto se debe a que en el área donde las dos

celdas se interceptaban, los paquetes eran recibidos por los dos

nodos al mismo tiempo y en el área donde un nodo no recibía

el paquete el otro nodo si lo hacía. Así, existía una pérdida

mínima de la información y la potencia recibida no llegaba a

valores bajos.

Con todos los análisis y sus respectivos resultados se puede

afirmar que el protocolo LoRa es funcional en celdas de gran

distancia, es resistente a altas velocidades del dispositivo final

y a cambios de celdas de comunicación. Por todo ello, se

concluye que este protocolo es apropiado para aplicaciones de

IoT y de movilidad urbana.

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VII. REFERENCIAS

[1] M. Lucian Andrei, L. Alexandru Rădoi y D. Ștefan

Tudose, «Measurement of Node Mobility for the LoRa

Protocol,» IEEE Xplore, pp. 1-6, 2017.

[2] A. Augustin, J. Yi, T. Clausen y W. Mark Townsley ,

«A Study of LoRa: Long Range & Low Power Networks for

the Internet of Things,» Sensors, 2016.

[3] D. Hyun Kim, J. Bin Park, J. Ho Shin y J. Deok Kim,

«Design and Implementation of object tracking system based

on LoRa,» IEEE Xplore, pp. 463-467, 2017.

[4] D. Fernandes Carvalho, A. Depari, P. Ferrari, A.

Flammini, S. Rinaldi y E. Sissini, «On the feasibility of mobile

sensing and tracking applications based on LPWAN,» IEEE,

2018.

[5] K. Kastell, «Challenges and Improvements in

Communication with Vehicles and Devices Moving with

High-Speed,» IEEE Xplore, 2011.

[6] J. Rivas Tocado, . A. Díaz Zayas y P. Merino Gomez,

«Performance Study of Internet Traffic on High Speed

Railways,» IEEE Xplore, pp. 1-9, 2013.

[7] J. Morgan, «Una explicación simple de 'Internet de las

cosas',» 13 Mayo 2014. [En línea]. Available:

https://www.forbes.com/sites/jacobmorgan/2014/05/13/simpl

e-explanation-internet-things-that-anyone-can-

understand/#4cc371201d09.

[8] Telesur, «Telesur,» 31 octubre 2016. [En línea].

Available: https://www.telesurtv.net/telesuragenda/Que-son-

las-ciudades-inteligentes-20161027-0021.html.

[9] Murata, «Murata innovator in electronics,» [En línea].

Available:

https://www.murata.com/support/faqs/products/lpwa/lora/har

dware/0008.

[10] LoRa Alliance, Inc., LoRaWAN™ 1.1 Specification,

Beaverton, 2017.

[11] X. Calle Heredia, «Sistema de Monitoreo para el

Transporte Urbano mediante Comunicaciones Inalámbricas,»

Cuenca, 2018.